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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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Des imprimantes pour réparer le genou
Pour faciliter la réparation des genoux, la bio-impression d'hydrogel ouvre la voie à des implants biocompatibles, adaptés à chaque cas et à terme peu coûteux.

Le ménisque, un cartilage précieux

Le genou humain est un mécanisme complexe, dont la blessure se montre handicapante, ainsi que difficile et coûteuse à réparer. Chacun de nos genoux possède deux ménisques, des petits cartilages situés entre le fémur et le tibia sans s’interposer complètement entre les deux os. Le ménisque se compose de deux couches complémentaires, un milieu rigide et une couche extérieure douce. En laissant persister un contact entre le cartilage du fémur et celui du tibia, le ménisque amortit et stabilise le genou, en autorisant des déplacements.

Contrairement à l'os, innervé et vascularisé, le cartilage est un tissu qui se régénère peu et cicatrise difficilement. Les genoux blessés nécessitent donc souvent une intervention chirurgicale, comprenant le retrait du ménisque endommagé et le remplacement par des implants. Ceux-ci sont en général incompatibles avec les tissus biologiques environnants, car formés de plastique. De plus, ils constituent une réplique inadaptée de l’original, en terme de solidité et d'élasticité.

Des implants en bio-impression

Un candidat privilégié pour le développement d'implants biocompatibles, sur-mesure et peu coûteux est l’hydrogel. Les hydrogels sont des polymères, constitués en grande partie d’eau et aussi flexibles que les tissus vivants. Dans cette optique, une équipe de chercheur·euse·s travaillent à combiner un hydrogel solide et un hydrogel extensible, afin d’obtenir un biomatériau aussi proche du cartilage que possible. Une argile de nanoparticules a été ajoutée à l'hydrogel, de manière à rendre la substance souple en cas de tension avant de se durcir rapidement.

L’hydrogel, imprimable en trois dimensions, permet aux bio-ingénieurs de créer des pièces de rechange artificielles sur mesure. En utilisant des modèles virtuels des parties du corps d’un patient à partir d’une tomographie par ordinateur ou d’une analyse d’imagerie par résonance magnétique, les chirurgien·ne·s peuvent fournir des implants qui correspondent à l’original. Un ménisque de remplacement avec le nouvel hydrogel a pu être imprimé par l'équipe à bas prix en seulement un jour. Ces implants nouvelle génération devraient, à terme, permettre de reconstituer intégralement une articulation abîmée.

En savoir plus

Un hydrogel analogue au cartilage pour des implants de genou imprimables en 3D, sur InfoHightech

La bio-impression, sur Sciences en ligne

Imprimer de la peau artificielle, sur Sciences en ligne

Réparer le cartilage, un dossier de l'INSERM

Arthur Jeannot
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